JP2018510513A - 高輝度発光デバイス用の周辺ヒートシンク装置 - Google Patents

Abstract

発光素子の上の波長変換素子の発光表面積のうちのかなりの量が、反射性の熱伝導素子によって覆われる。この反射素子によって反射される光は、発光構造内で“リサイクル”され、そして、反射素子によって覆われていない小さめの面積を通って構造から出て行く。熱伝導素子は透明である必要がないので、比較的厚い金属層が使用されてもよく、また、熱伝導素子が波長変換素子のかなりの面積を覆っているので、この構成の熱効率は非常に高い。反射性の熱伝導素子は、熱伝導性のサブマウント上に取り付けられ得るものである熱伝導ピラーに結合され得る。

Description

本発明は、発光装置の分野に関し、特に、高輝度発光デバイス（high brightness light emitting devices；ＨＢ−ＬＥＤ）用のヒートシンク装置に関する。

ソリッドステート発光デバイス（ＬＥＤ）に関連する技術における絶え間ない改良が、例えば、車両用や家庭用の照明、及び屋外照明などの、高い輝度を必要とする用途に発光デバイスが使用されることを可能にしてきた。

発光構造によって生成されることができる輝度の量に対する１つの制限は、特に、発光構造が例えば蛍光体層などの波長変換素子を含む場合に、構造によって生成される熱を消散する能力である。発光構造内で生成される過剰な熱は、構造内の素子を早期に劣化させ得るとともに、波長変換の効率に有意に影響を及ぼすことがあり、結果的に追加の熱を発生させ得る。一部の用途では、たとえ発光素子が非常に高い輝度を生成することができ得るとしても、発光素子は、熱ダメージを避けるために、低めの電流、ひいては、低めの輝度で動作されねばならない。

図１Ａ−１Ｂは、２０１４年６月１９日に刊行された和田等の米国特許出願公開第２０１４／０１６７０８７号「発光装置及びその製造方法（LIGHT EMITTING DEVICE AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME）」（特許文献１）に開示されているような放熱機構を含む従来の発光構造を例示している。なお、この文献をここに援用する。

図１Ａの上面図は、発光構造が発光素子１０の上に光取り出し領域１５を有することを示している。光取り出し領域１５は、放熱サブマウント３３上に取り付けられた熱伝導性のフレーム２７によって取り囲まれている。

図１Ｂの断面図は、発光素子１０を覆って延在する波長変換プレート７を示している。透明熱伝導フィルム２１が波長変換プレート７を覆って、光取り出し領域１５を提供している。熱伝導フィルム２１は、熱伝導性フレーム２７に、はんだ２６を介して結合されている。波長変換プレート７からの熱は、熱伝導フィルム２１によって広げられてから、熱伝導性フレーム２７及び放熱サブマウント３３によって放散される。

図１Ａ−１Ｂの構造は、波長変換プレート７によって生成される熱を放散することによく適しているが、フィルム２１が透明であるとともに熱伝導性であることの要求が、フィルム２１が双方を行う能力を制限してしまう。何故なら、熱伝導率を高めることは透明性を低下させ、その逆もまた然りであるためである。また、このような透明な熱伝導性フィルムを製造することのコストは比較的高いものである。

米国特許出願公開第２０１４／０１６７０８７号明細書

従来の発光構造よりも高い輝度で発光素子が動作されることを可能にする放熱能力を備えた発光構造を提供することが有利であろう。また、放熱能力を備えた発光構造体を製造することのコストを低減させることも有利であろう。

これらの関心事のうちの１つ以上を、より良く解決するため、本発明の一実施形態においては、発光素子の上の波長変換素子の発光表面積のうちのかなりの量が、反射性の熱伝導素子によって覆われる。この反射素子によって反射される光は、発光構造内で“リサイクル”され、そして、反射素子によって覆われていない小さめの面積を通って構造から出て行く。反射率が十分に高い場合、縮小された出口窓を通って光が漏れ出るので、輝度の正味の増加を実現することができる。熱伝導素子は透明である必要がないので、比較的厚い金属層が使用されてもよく、また、熱伝導素子が波長変換素子のかなりの面積を覆っているので、この構成の熱効率は非常に高い。反射性の熱伝導素子は、熱伝導性のサブマウント上に取り付けられ得るものである熱伝導ピラーに結合され得る。

本発明の一実施形態は、発光素子と、該発光素子に結合された波長変換素子と、該波長変換素子の表面の過半を覆う反射性の熱導体と、上記波長変換素子の両側に位置する少なくとも一対の熱ピラーと、上記反射性の熱導体を上記熱ピラーの対に結合する熱結合素子とを含む。

熱ピラーは、波長変換素子を取り囲んでいてもよいし、あるいは、複数の発光デバイスの線形配置を容易にするよう、波長変換素子の選択された側に位置していてもよい。

この構造全体を、熱伝導性の基板上にマウントすることができ、そして、反射性の誘電体材料が、発光素子及び波長変換素子を取り囲み得る。

反射性の熱伝導素子は、反射層及び熱拡散層を含むことができ、反射層は分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を含み、熱拡散層は、少なくとも１０μｍの厚さで金属層を含む。熱伝導素子は、少なくとも１０μｍの厚さである金属を含み得るものである熱結合素子によって、熱ピラーに結合されることができ、また、熱応力に順応するようフレキシブルラミネートとし得る。

波長変換素子はセラミック蛍光体プレートを含むことができ、光取り出し面積は、波長変換素子の表面の面積のうちの２５％未満とし得る。

以下の図を含む添付図面を参照して、例として、本発明を更に詳細に説明する。
波長変換素子を覆う透明な熱伝導フィルムを有する従来技術の発光構造を例示している。 波長変換素子を覆う透明な熱伝導フィルムを有する従来技術の発光構造を例示している。 波長変換素子のかなりの表面積を覆う反射性の熱導体を含む発光構造の一例を示している。 波長変換素子のかなりの表面積を覆う反射性の熱導体を含む発光構造の一例を示している。 波長変換素子のかなりの表面積を覆う反射性の熱導体を含む発光構造の一代替例を示している。 波長変換素子のかなりの表面積を覆う反射性の熱導体を含む発光構造の一代替例を示している。 波長変換素子のかなりの表面積を覆う反射性の熱導体を含む発光構造の他の一例を示している。 波長変換素子のかなりの表面積を覆う反射性の熱導体を含む発光構造の他の一例を示している。 図面全体を通して、同様あるいは対応する機構又は機能は、同じ参照符号で指し示す。図面は、例示目的で含められたものであり、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。

以下の説明においては、限定ではなく説明の目的で、本発明の概念の完全なる理解を提供するために、例えば特定のアーキテクチャ、インタフェース、技術などの具体的詳細事項を説明する。しかしながら、当業者に明らかなように、本発明は、これらの具体的詳細事項からは逸脱した他の実施形態でも実施され得るものである。同様に、本明細書の文章は、図面に示される実施形態例に向けられたものであり、請求項に係る発明に、請求項に明示的に含められた限定以外の限定を加えるものではない。単純化及び明瞭化の目的のため、不要な詳細事項で本発明の説明を不明瞭にしないよう、周知のデバイス、回路及び方法についての詳細な説明は省略することとする。

図２Ａ−２Ｂは、波長変換素子１２０の表面積のうちかなりの量を覆う反射性の熱導体１３０を含む発光構造体２００の一例を示している。波長変換素子は、発光素子１１０によって照射（ポンプ）され得る。本開示の文脈において、熱導体は、少なくとも２５Ｗ／ｍＫの熱伝導率、好ましくは１００Ｗ／ｍＫを超える熱伝導率を持つ材料であり、反射素子は、波長変換素子１２０によって放出される光及び／又は発光素子１１０によって放出される光に対して反射率を持つ素子である。この反射率は、少なくとも９０％の、好ましくは９８％超の、鏡面反射又は拡散反射の何れかとし得る。

反射性熱導体１３０は、発光素子１１０及び波長変換素子１２０からの光がそれを通って取り出される窓１３５を含んでいる。反射素子１３０に突き当たる光は、反射されて波長変換素子１２０内に戻される。これまた光を反射するように機能する例えばＴｉＯ_２などの反射フィラー材料１７０が、波長変換素子１２０及び発光素子１１０を取り囲んでいてもよい。これらの反射の効果は、光が窓１３５を通って出て行くまでの光の“リサイクル”ということになる。この、取り出される光の、より小さい面積の窓１３５への集中は、構造体２００からのいっそう高い輝度（所与の方向に進行する光の単位面積当たりの強度）をもたらす。

反射性熱導体１３０は、例えば銀又はその他の高反射性材料などの、厚い（〜１０−２０μｍ）反射金属層とし得る。しかしながら、光損失を最小化するために、高反射性のコーティングを何らかの熱伝導材料上に設けてもよい。例えば、熱導体１３０は、波長変換素子１２０と、熱導体１３０の例えば１０−２０μｍ厚の金属などの熱伝導材料との間の境界面に、広帯域で無指向性の分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を提供する光学的に薄い誘電体層のスタックを含み得る。

反射性熱導体１３０は、熱結合素子１４０を介して、波長変換素子１２０を取り囲む熱伝導性の壁、すなわち、‘熱ピラー’１５０に結合されている。熱ピラー１５０は、例えば少なくとも１ｍｍ厚の金属ピラーなど、熱導体１３０を介したヒートシンクとして効果的に機能するのに十分な質量を有した、如何なる熱伝導材料ともし得る。熱ピラー１５０は更に、これまたヒートシンクとして機能する熱伝導性のサブマウント１６０に結合され得る。サブマウント１６０は、後に、プリント回路基板又はその他の固定物に取り付けられ得る。発光素子１１０のコンタクト１１５への電気的な結合を供するため、サブマウント内に、絶縁されたコンタクト１６５が設けられ得る。

熱ピラー１５０及びサブマウント１６０は、例えば、ピラーを形成するように‘パンチ加工’された金属板、又は成形焼結金属などの、単一の素子であってもよい。熱ピラー１５０は、波長変換素子１２０を取り囲む連続的な壁を形成するものとして示されているが、当業者が認識することになるように、分離した個別ピラー１５０も使用され得る。

熱結合素子１４０は、はんだ１４５又はその他の熱伝導材料を介して、熱導体１３０を熱ピラー１５０に結合し得る。結合素子１４０は、熱応力に関連する問題を軽減するために可撓性とし得る。約２０−５０μｍ厚のラミネートされた熱スプレッダが、そのような可撓性を提供し得る。例えば、ＡｖＣａｒｂ（登録商標）ヒートスプリッダは、０．０２５ｍｍ厚で入手可能であり、１６５０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を提供する。

図３Ａ−３Ｂは、複数ＬＥＤ用途に特によく適した代替例の発光構造体３００、３１０を示している。構造体３００、３１０は、図２Ａ−２Ｂの構造体２００と同様である。これらの構造体は、少なくとも１つの方向において、図２Ｂのプロファイルに対応するプロファイル（図示せず）を有する。それに直交する方向のプロファイルは、図３Ａ、３Ｂと図２Ｂとの組み合わせに基づいて当業者には明らかであろう。

構造体３００、３１０は、複数の発光構造の線形配置を形成するように構成されている。構造体３００は、構造体２００の取り囲みピラー１５０とは対照的に、一対の反対側の熱ピラー１５０Ａ、１５０Ｂと、一対の反対側の熱結合素子１４０Ａ、１４０Ｂとを含んでいる。両側面に熱ピラーが存在しないことは、構造体３００同士間を最小限の間隔として、複数の構造体３００を配置することを支援する。構造体３１０は、三方にされたピラー１５０Ｄと、三方にされた熱結合素子１４０Ｄとを有して構成されており、上述の線形配置の構造体の端部構造としての役割を果たし得る。三方ピラー１５０Ｄは、単一の連続した塊として提示されているが、例えば、３つの別々のピラー、又はコーナーピラーと分離ピラー、又はその他の好適構成といった、複数の塊として構成されてもよい。同様に、ピラー１５０Ａ、１５０Ｂは、複数の塊又は部分で構築されてもよい。

図４Ａ−４Ｂは、大掛かりな放熱を必要としない用途に使用され得る別の一代替例の発光構造体４００を示している。この実施形態では、熱カバー４５０が、構造体２００の熱ピラー１５０を置き換えていて、反射性熱導体１３０を介して波長変換素子１２０のためのヒートシンクとして機能する。熱カバー４５０は、反射性熱導体１３０とは別個の素子として図示されているが、反射性熱導体１３０の熱伝導コンポーネントであってもよい。すなわち、例えば、熱カバー４５０は、上述のＤＢＲなどの反射コーティングを含むことができ、それにより、反射性の熱導体を形成してもよい。

構造体４００は、熱カバー４５０の全体の下に反射フィラー１７０が延在した立方体形状として図示されているが、当業者が認識することになるように、熱カバー４５０は、放熱のために大気に晒される表面積を増大させるよう、この構造体の反射フィラー部分の外側まで延在するカンチレバー型であってもよい。

図面及び以上の説明にて本発明を詳細に図示して記述してきたが、これらの図示及び記述は、限定的なものではなく、例示的又は典型的なものと見なされるべきであり、本発明は開示した実施形態に限定されるものではない。

開示した実施形態へのその他の変形が、図面、本開示及び添付の請求項の検討から、請求項に係る発明を実施する当業者によって理解されて実現され得る。請求項において、用語“有する”はその他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞“ａ”又は“ａｎ”は複数であることを排除するものではない。特定の複数の手段が相互に異なる従属項に記載されているという単なる事実は、それらの手段の組合せが有利に使用され得ないということを指し示すものではない。請求項中の如何なる参照符号も、範囲を限定するものとして解されるべきでない。

図１Ａ−１Ｂの構造は、波長変換プレート７によって生成される熱を放散することによく適しているが、フィルム２１が透明であるとともに熱伝導性であることの要求が、フィルム２１が双方を行う能力を制限してしまう。何故なら、熱伝導率を高めることは透明性を低下させ、その逆もまた然りであるためである。また、このような透明な熱伝導性フィルムを製造することのコストは比較的高いものである。
米国特許出願公開第２０１１／００６２４６９号は、発光デバイス（ＬＥＤ）ダイと、ＬＥＤの上の光学素子と、オプションのヒートシンクとを含む光エミッタを開示している。ＬＥＤの上の波長変換素子上に、光路内で、透明な、半透明な、又は散乱性のヒートシンクが設けられ得る。
米国特許出願公開第２０１１／０２１０３６９号は、半導体発光素子と波長変換セラミックとを有する発光モジュールを開示している。反射性のフィルムが、波長変換セラミックの上に設けられて、波長変換素子の発光領域を狭める。反射フィルム上にヒートシンクが設けられ得る。

これらの関心事のうちの１つ以上を、より良く解決するため、本発明の一実施形態においては、発光素子の上の波長変換素子の発光表面積のうちのかなりの量が、反射性の熱伝導素子によって覆われる。この反射素子によって反射される光は、発光構造内で“リサイクル”され、そして、反射素子によって覆われていない小さめの面積を通って構造から出て行く。反射率が十分に高い場合、縮小された出口窓を通って光が漏れ出るので、輝度の正味の増加を実現することができる。熱伝導素子は透明である必要がないので、比較的厚い金属層が使用されてもよく、また、熱伝導素子が波長変換素子のかなりの面積を覆っているので、この構成の熱効率は非常に高い。反射性の熱伝導素子は、熱伝導性のサブマウント上に取り付けられ得るものである熱伝導ピラーに、熱結合素子によって結合される。

Claims (15)

1. 発光素子と、
   前記発光素子に結合され、前記発光素子からの光が通る表面を持つ波長変換素子と、
   前記波長変換素子の前記表面の過半を覆い、前記表面の面積よりも小さい光取り出し面積を作り出す反射性の熱導体と、
   を有する発光構造体。
2. 前記波長変換素子の両側に位置する少なくとも一対の熱ピラーと、
   前記反射性の熱導体を前記熱ピラーの対に結合する熱結合素子と、
   を更に有する請求項１に記載の発光構造体。
3. 前記熱ピラーが上に位置する熱伝導性基板、を更に有する請求項２に記載の発光構造体。
4. 前記熱ピラーの対の間に延在する第３の熱ピラー、を更に有する請求項２に記載の発光構造体。
5. 前記第３の熱ピラーとは反対側の第４の熱ピラー、を更に有する請求項４に記載の発光構造体。
6. 前記熱結合素子は、少なくとも１０μｍの厚さである金属を有する、請求項２に記載の発光構造体。
7. 前記熱結合素子は可撓性材料を有する、請求項２に記載の発光構造体。
8. 前記熱結合素子はラミネート材を有する、請求項２に記載の発光構造体。
9. 前記反射性の熱導体は反射層及び熱拡散層を有する、請求項１に記載の発光構造体。
10. 前記反射層は分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を有する、請求項９に記載の発光構造体。
11. 前記熱拡散層は、少なくとも１０μｍの厚さで金属層を有する、請求項９に記載の発光構造体。
12. 前記波長変換素子はセラミック蛍光体プレートを有する、請求項１に記載の発光構造体。
13. 前記光取り出し面積は、前記波長変換素子の前記表面の前記面積のうちの２５％未満である、請求項１に記載の発光構造体。
14. 前記発光素子及び前記波長変換素子を取り囲む反射性の誘電体材料、を含む請求項１に記載の発光構造体。
15. 前記発光素子を取り囲む少なくとも１つの熱ピラー、を更に有する請求項１に記載の発光構造体。

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